Jump to content

    
Sign in to follow this  
ADOWWW

Измерение мощности лазерного излучения.

Recommended Posts

Хочу поделиться проделанным и послушать мнение коллег, может есть какие замечания или советы.

Стоит задача измерения мощности импульсных лазеров в различных диапазонах длин волн.

Мощности не особенно важны, так как измерения будут проводиться в специальном тестовом режиме подогнанном под датчик , т.е. суммарный поток энергии будет усреднен.

Минимальная мощность порядка 4-5 Ватт. Точность порядка 10-15%, в принципе не особенно критична, можно поднять верхную планку до 20%.

Устройство должно быть с хорошей повторяемостью и на общедоступных элементах.

Решил использовать для эксперементов обычный ТЕС модуль 72W 40x40mm.

Протестировал модуль на предмет линейности, почти линейная зависимость напряжения от ΔТ.

Хотя абсолютные значения при одинаковых температурах у трех протестированных экземплярах отличались. Что в принципе и ожидал.

Поскольку достать черных модулей не удалось, пришлось для уменшения рефлекции наклеить на НОТ сторону шайбу из графита, толщиной 1мм.

Холодную сторону посадил на радиатор с принудительным охлаждением.

Облучал мпульсами спот 8мм, 940нм, 100мs 1,3Hz 280W.

ТЕС выдал 2.4В ,температуры стабилизировались после где-то минуты излучения, НОТ 86С° радиатор 31С°, при окружающей температуре 21 градус.

В принципе все как бы понятно, но что-то мне не очень нравится то что радиатор просто обдувается, хотя ΔТ после снятия облучения примерно через 80-90 сек уходит в ноль.

Радиатор сам остывает достаточно медленно и при следующем измерении ( или повторном ) температура будет уже выше.

Стоит ли заморачиваться со стабилизацией температуры холодной стороны ?

Потом, графит не очень приятный материал, крошится, горит, от старости высыпается, да и при импульном воздействии разрушается.

Что можно применить ?

Я пока не придумал схему регистрации/обработки полученного напряжения. Что посоветуете, пиковый детектор ? Интегратор ?

Теоретически мерить надо в Джоулях, но тогда надо четко привязывать на время. Вобщем что то зациклился, пните в нужном направлении. :biggrin:

post-74818-1386155640_thumb.jpg

Share this post


Link to post
Share on other sites
Стоит задача измерения мощности импульсных лазеров в различных диапазонах длин волн.

 

. Вобщем что то зациклился, пните в нужном направлении. :biggrin:

 

А купить в Германии нельзя уже готовое и калиброванное?

Share this post


Link to post
Share on other sites
А купить в Германии нельзя уже готовое и калиброванное?

Конечно можно, но мне нужно что то дешевое, пусть и не очень точное, для монтирования на готовые устройства, или как дополнительное оборудование

для экспресс тестирования, если скажем мощность упала на 25% - необходимо обратится в сервис.

Кaлиброванные Ophir у нас в ассортименте :)

Edited by ADOWWW

Share this post


Link to post
Share on other sites
Кaлиброванные Ophir у нас в ассортименте :)

Тогда попробую ответить...

Вот стандартный (может, даже советский калориметр) устроен следующим образом (по памяти) - металлический стакан, на дне которого сделан конус, отражающий свет на боковую черненую (с канавками) поверхность с распределенным термодатчиком. Смысл всей конструкции в том, что даже отраженное от боковой стороны излучение попадает опять на боковую сторону. С другой стороны такой же стакан с таким же датчиком (датчики дифференциально включены). Стаканы имеют одинаковую теплоизоляцию. Для (квази)непрерывного лазера измеряется установившаяся разность температур. Для одиночных импульсов нужно интегрировать эту разность какое-то время.

В Вашем случае можно такие стаканы приклеить к элементу Пельтье.

Можно измерять температуру окружающей среды для небольшой коррекции.

При резких изменениях температуры нужно ждать для устаканивания температуры стаканов.

Стаканы нужно делать из меди, чтобы тепло успевало доходить (в Вашем случае).

Share this post


Link to post
Share on other sites

_pv , Да, эта мысль мне сразу в голову пришла, но пришлось самому же ее забраковать. :) Я не написал в первом посте, это устройство нужно только для диодных лазеров.

А они у нас есть с различными формами и размерами спота, отражение и абсорбирование мощности в десяток Ватт уже само по себе будет сложно и достаточно дорого, тут же оно дополнится необходимостью универсальности, под лазеры от ИК до зеленого. У нас есть несколько нароботок в этом направлении, они оказались неконкурентноспособными. То что получилось у меня на столе стоит сущие копейки и не требует оптики. Что самое важное.

 

Tanya , Я успел полазить в Гугле и такие конструкции сенсора видел, более того они и сейчас есть, но у них даже на первый взгляд есть сильный минус, во всяком случае для меня - теплоемкость. Я пошел по пути того же Офира, термоэлектрический принцып. Два пелтье 80х40 мм прикрытые соответствуещей графитовой или керамической пластиной будут не в пример быстрее, чем те же элементы с медной кострюлей сверху :laugh: .

Правда графит это не то, что мне было бы приятно применить. Не думаю, что он долго проживет...

Я пока не проводил опыт по перемещению лазерного пятна по поверхности, чтоб определить необходимость центрирования, но думаю сильной разницы это не привнесет.

 

Да, еще одно, пользователь будет скорее всего не очень искушен в различных нюансах физических процессов, и ждать выравнивания температур не будет. Все должно быть быстро )))

Edited by ADOWWW

Share this post


Link to post
Share on other sites
Tanya , Я успел полазить в Гугле и такие конструкции сенсора видел, более того они и сейчас есть, но у них даже на первый взгляд есть сильный минус, во всяком случае для меня - теплоемкость. Я пошел по пути того же Офира, термоэлектрический принцып. Два пелтье 80х40 мм прикрытые соответствуещей графитовой или керамической пластиной будут не в пример быстрее, чем те же элементы с медной кострюлей сверху :laugh: .

Правда графит это не то, что мне было бы приятно применить. Не думаю, что он долго проживет...

Я пока не проводил опыт по перемещению лазерного пятна по поверхности, чтоб определить необходимость центрирования, но думаю сильной разницы это не привнесет.

 

Да, еще одно, пользователь будет скорее всего не очень искушен в различных нюансах физических процессов, и ждать выравнивания температур не будет. Все должно быть быстро )))

Этой конструкцией я измеряла энергию после монохроматора и лампы. Там очень мало энергии попадало. И ждать долго не нужно при измерениях - секунды. Ждать только если измеритель переносится в другую комнату. Там, наверное, разность температур была в микроградусном диапазоне. В Вашем случае все упрощается. Но все равно нужно делать световую ловушку, а иначе процентов 10 погрешности набежит от угла и пр. и др. ... плохой юстировки.

Share this post


Link to post
Share on other sites

может тогда просто включать на строго определённое время, несколько секунд посветить на небольшой кусочек графита, чтобы температура у него на несколько градусов уползла и просто её точно померить.

темплоёмкость известна, если делать достаточно быстро остыть не успеет, за пару секунд вкачать 10Дж, у 1см3 графита температура на десяток градусов поднимется, за несколько секунд с пары см2 при 1мВт/гр/см2 рассеется в атмосферу и сотня-другая мДж.

при требуемых 20% точности можно и не учитывать.

Share this post


Link to post
Share on other sites
Этой конструкцией я измеряла энергию после монохроматора и лампы. Там очень мало энергии попадало. И ждать долго не нужно при измерениях - секунды. Ждать только если измеритель переносится в другую комнату. Там, наверное, разность температур была в микроградусном диапазоне. В Вашем случае все упрощается. Но все равно нужно делать световую ловушку, а иначе процентов 10 погрешности набежит от угла и пр. и др. ... плохой юстировки.

К сожалению конструкция не так уж проста, просто чтоб поиграться заказывать смысла не имеет, а готовой ловушки этого типа у меня под рукой нет.

 

может тогда просто включать на строго определённое время, несколько секунд посветить на небольшой кусочек графита, чтобы температура у него на несколько градусов уползла и просто её точно померить.

темплоёмкость известна, если делать достаточно быстро остыть не успеет, за пару секунд вкачать 10Дж, у 1см3 графита температура на десяток градусов поднимется, за несколько секунд с пары см2 при 1мВт/гр/см2 рассеется в атмосферу и сотня-другая мДж.

при требуемых 20% точности можно и не учитывать.

Я примерно такой принцип и использую, только меряю разность температур. При снятии излучения она быстро невилируется.

Думаю напряжение с модуля подать на интегратор через мосфетный ключ, который оборвет измерение на скажем десятой секунде.

Одновременно замеряя напряжение на выходе. Зная заданные параметры спота и мощности можно свести таблицу номинальных параметров учитывающую все модификации наших лазеров.

Повторное измерение разрешу только через скажем минуту, чтоб гарантировать ΔТ=0

Меня вполне устроил бы и простой стрелочный прибор в качестве индикатора мощности, но может придется заморачиваться с контроллером для цифрового дисплея. Пока так далеко не забегаю.

 

Интересно, занимался ли кто этой проблемой и на сколько успешно ? Именно в том варианте который использую я.

 

Заказал графитовые пластины 40х80мм, для датчика из двух пельтье, и обойму из фторопласта, обязательно отпишусь о результатах. Надеюсь на следующей неделе все будет.

Иначе останится на январь... У нас начинаются рождественские каникулы

Share this post


Link to post
Share on other sites
Я примерно такой принцип и использую, только меряю разность температур. При снятии излучения она быстро невилируется.

нет, разность температур на пельтье показывает протекающую через него тепловую мощность. соответственно измерять надо при установившемся режиме и еще надо знать температуру хотя бы с одной стороны пельтье.

и естественно что без излучения графит сразу остывает через пельтье, так как температурное сопротивление элемента пельтье маленькое.

 

я предложил просто приклеить кусок графита вместе с температурным датчиком к пенопласту, чтобы тепло от него никто не отводил.

тогда разность измерений температуры до и после секундного облучения скажут сколько в него вкачали энергии за известное время пока лазер был включен, то есть мощность.

потери тепла с графита в воздух за несколько секунд измерения будут какие-то пара процентов от вкачанных десятка Дж.

плюс это можно опять же просто учесть.

 

Share this post


Link to post
Share on other sites
Да, эта мысль мне сразу в голову пришла, но пришлось самому же ее забраковать. :) Я не написал в первом посте, это устройство нужно только для диодных лазеров.

А они у нас есть с различными формами и размерами спота, отражение и абсорбирование мощности в десяток Ватт уже само по себе будет сложно и достаточно дорого, тут же оно дополнится необходимостью универсальности, под лазеры от ИК до зеленого. У нас есть несколько нароботок в этом направлении, они оказались неконкурентноспособными. То что получилось у меня на столе стоит сущие копейки и не требует оптики. Что самое важное.

Фотодиодами мониторят мощность излучающих переходов, до формирования пучка. Они работают по засветке внутри корпуса, без всякой дополнительной оптики.

 

Правда графит это не то, что мне было бы приятно применить. Не думаю, что он долго проживет...

Касательно выбранного метода, можно попробовать вместо графита

Share this post


Link to post
Share on other sites
нет, разность температур на пельтье показывает протекающую через него тепловую мощность. соответственно измерять надо при установившемся режиме и еще надо знать температуру хотя бы с одной стороны пельтье.

и естественно что без излучения графит сразу остывает через пельтье, так как температурное сопротивление элемента пельтье маленькое.

 

я предложил просто приклеить кусок графита вместе с температурным датчиком к пенопласту, чтобы тепло от него никто не отводил.

тогда разность измерений температуры до и после секундного облучения скажут сколько в него вкачали энергии за известное время пока лазер был включен, то есть мощность.

потери тепла с графита в воздух за несколько секунд измерения будут какие-то пара процентов от вкачанных десятка Дж.

плюс это можно опять же просто учесть.

Я думаю, что наоборот, именно разность температур, вне зависимости от абсолютного значения упрощает такой метод измерения. Температуру холодной стороны пельтье в принципе можно и измерить, но просто отталкиваясь от комнатной температуры в 24 градуса получаю достаточную точность.

От простого измерения температуры я отказался с самого начала. Кубик графита надо как то охладить перед следующим измерении? При размере спота 20х48мм для 24-банового диода кубик получается уже болванкой, да и направить нужно луч достаточно точно, причем по логике термосенсор надо расположить в геометрическом центре, истинном для всех используемых лазеров. Что физически труднореалезуемо. Разные размеры спота, корпусов и т.д.

На ТЕС это все получается как бы само собой, что не может не радовать :)

 

Фотодиодами мониторят мощность излучающих переходов, до формирования пучка. Они работают по засветке внутри корпуса, без всякой дополнительной оптики.

 

 

Касательно выбранного метода, можно попробовать вместо графита

На сингл эмиттер они там в корпусе уже вмонтированны и мы используем их сигнал для мониторинга мощности оптического выхода,

на многобанных пока не видел с встроенными фотодиодами, их мониторим по току и напряжению, но оптическую деградацию так не измерить.

Или я Вас не правильно понял ?

 

За ссылку огромное спасибо, буду изучать.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Купите у OPHIR OEM головку и не парьте себе мозги http://www.ophiropt.com/laser-measurement-...r-energy-meters

Если хочется пострадать ручной работой- делайте термопарную головку типа как на рисунке. Если нет напылялки для создания планарной термопары- можно сварить 100 проволочных термопар и уложить по-контуру абсорбера руками многолучевой звездочкой- так в стародавние времена делал Цейс в своих измерителях. Потом определяете коэффициет серости поглощающей поверхности и домнажаете на него результат измерений. Поглощалка- обычно просто глубоко анодированный алюминий, пропитанный неорганическим красителем (чтобы не выгорал по лазером). Обычно анодированный алюминий пропитывается органическими солями металлов, потом прогревается, соли разлагаются и поры оказываются заполненными мелкодисперсным черным порошком металла, который поглощает свет с эффективностью 0.8-0.95 в диапазоне от УФ до среднего ИК.

Пельтье не подойдут- слишком высокое внутренне сопротивление, большая термическая инерционность.

post-1741-1386326441_thumb.jpg

post-1741-1386326456_thumb.jpg

Share this post


Link to post
Share on other sites
на многобанных пока не видел с встроенными фотодиодами, их мониторим по току и напряжению, но оптическую деградацию так не измерить.

Или я Вас не правильно понял ?

fcldc3.jpg

 

Share this post


Link to post
Share on other sites

Join the conversation

You can post now and register later. If you have an account, sign in now to post with your account.

Guest
Reply to this topic...

×   Pasted as rich text.   Paste as plain text instead

  Only 75 emoji are allowed.

×   Your link has been automatically embedded.   Display as a link instead

×   Your previous content has been restored.   Clear editor

×   You cannot paste images directly. Upload or insert images from URL.

Sign in to follow this